Глава 5. Технологический и вспомогательный инструмент

Буровой инструмент, применяемый при бурении скважин, подразделяется на: технологический, вспомогательный, аварийный и специальный. В состав технологического инструмента входят: породоразрушающий инструмент, колонковые и бурильные трубы, расширители, кернорватели, переходники, иногда шламовые трубы (рис. 5).

Технологический инструмент, соединенный в определенной последовательности, называют буровым снарядом.

Вспомогательный буровой инструмент, предназначенный для обслуживания технологического инструмента при бурении скважин, включает в себя: ключи, спускоподъемные принадлежности, обсадные трубы.

1 2 3 4

5 6 7

8 9 10

Рис. 5. Технологический буровой инструмент:

1 – коронка; 2 – рвательное кольцо (кернователь); 3 – калибровочный расширитель; 4 - колонковая труба; 5 – трубный ниппель; 6 – переходник-центратор; 7 – клапанный переходник; 8 – трубный ниппель двухпрорезной (тип Б); 9 – трубный ниппель однопрорезной (тип А); 10 – бурильная труба

Аварийный инструмент предназначен для ликвидации аварий, происходящих в скважинах при геологических осложнениях. Наиболее распространенным типом является ловильный и режущий инструмент.

Специальный инструмент применяется при производстве специальных работ в скважинах, например, при искусственном отклонении ствола скважины, при выполнении тампонажа и т.п. [24].

Для бурения скважин применяется алмазный и твердосплавный породоразрушающий инструмент. Разнообразие геолого-технических условий бурения требует применения различных типов бурового инструмента.

Алмазный породоразрушающий инструмент для геологоразведочного бурения подразделяется на три вида: алмазные коронки; расширители и калибраторы; долота.

Коронки предназначены для кольцевого разрушения горных пород и применяются с одинарными и двойными трубами, а также снарядами ССК и КССК.

Конструктивно алмазный породоразрушающий инструмент состоит из корпуса и алмазосодержащей матрицы, прочно соединенной с корпусом. Матрица представляет собой металлокерамическое кольцо, предназначена для размещения и закрепления алмазных резцов. По износостойкости матрицы делятся на стандартные, твердые и сверхтвердые. Нормами на изготовление отечественных алмазных коронок предусмотрено пять типов матриц по твердости, измеряемой по прибору Роквелла. При выборе коронки для бурения твердость матрицы подбирается с учетом абразивности, твердости, структуры и трещиноватости намечаемых к бурению горных пород. Численное значение твердости матрицы принимается тем больше, чем выше абразивность и трещиноватость горной породы.

Алмазные резцы, расположенные в матрице, по своему назначению и расположению разделяются на: объемные, торцовыеи подрезные (рис.6). Торцовые и объемные находятся на торцевой поверхности или внутри матрицы и являются породоразрушающими резцами; подрезные размещаются на внутренней и наружной боковых сторонах матрицы. Они калибруют стенки скважин, обрабатывают боковую поверхность керна и предохраняют коронку от чрезмерного износа по наружному и внутреннему диаметрам.

По способу размещения объемных алмазов в матрице различают однослойные (А) и импрегнированные (И) коронки, предназначенные для бурения в различных по свойствам породах (рис. 6,а, б).

а б

Рис. 6. Конструктивные элементы алмазных коронок: а - однослойных, б – импрегнированных; 1 - короночное кольцо; 2 - матрица; 3 – подрезные резцы; 4 – торцовые резцы

Однослойные коронки предназначены для бурения пород V-Х категорий по буримости и подразделяется на две группы: с алмазами, имеющими заданную величину выпуска из матрицы, и с развитой промывочной системой; без заданного выпуска и с обычной промывочной системой (табл. 23, 24). Однослойные коронки с заданным выпуском алмазных резцов предназначены для бурения малоабразивных и абразивных в основном плотных монолитных или слаботрещиноватых средне – и крупнозернистых горных пород от V до X категорий по буримости. Коронки имеют стандартную нормальную матрицу твердостью 20–25 HRC или 31–40 HRC и заданный выпуск алмазных резцов в пределах 20–30% их среднего линейного размера. Однослойные коронки без заданного выпуска алмазных резцов предназначены для бурения в породах VП-Х категорий по буримости одинарными или двойными колонковыми снарядами. Матрица у коронок – стандартная, с твердостью 20–25 HRC или 30–35 HRC. Они используются для бурения нетрещиноватых или слаботрещиноватых плотных монолитных пород малой и средней абразивности.

Алмазные коронки для двойных колонковых наборов (ДКН) отличаются конструкцией корпуса (удлиненный корпус с внутренней резьбой) и геометрическими размерами. Коронки имеют матрицу нормальной твердости (20-25 HRC). Внутренний диаметр коронок определяется типом применяемой двойной трубы.

Импрегнированные коронки применяются для бурения горных пород IX-XII категорий по буримости, абразивных, весьма абразивных, трещиноватых и монолитных.

Специальные алмазные коронки предназначены для бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками типа ССК и КССК в твердых, средней твердости породах при разведке преимущественно металлических руд и месторождений каменного угля.

Алмазные долота служат для бескернового бурения скважин, а также для забуривания дополнительных стволов при направленном бурении. Известно много конструкций и типоразмеров долот. В геологической практике для бурения скважин применяются два типа долот: однослойные (08А–46, 09АЗ–59, АДН–08, АДН–22) и импрегнированные (08ИЗ-46, ИДИ-12). У всех долот матрица имеет вогнутую форму торца и центральное отверстие для циркуляции промывочной жидкости Долота изготовляются с нормальной матрицей твердостью HRC 20–25. Предназначены долота для бурения плотных, монолитных пород VII-IX категорий по буримости.

Алмазные расширители (рис. 7) предназначены для одинарных и специальных колонковых наборов, в том числе для двойных колонковых труб. Назначение мелкоалмазных расширителей при алмазном бурении – калибровать скважины по диаметру и предотвращать преждевременный износ коронок в процессе бурения. Кроме того, применение расширителей способствует стабилизации нижней части бурового снаряда, что уменьшает возможность проявления вибраций. С одним расширителем может быть отработано несколько коронок.

Алмазный калибратор (рис. 8) рекомендуется применять в составе специальных компоновок для проработки интервалов искусственного искривления, что обеспечивает наиболее эффективное их использование и снижает расход алмазов.

Таблица 23

Техническая характеристика коронок с заданным выпуском алмазных резцов

Тип коронки	Диаметр	Зернистость алмазов,	Масса алмазов, кар
коронки, мм	шт/кар
наружный	внутренний	объемных	подрезных
16АЗ-СВ			12–8; 20–12 400–150	20–12	13–17   15–18
01КС			4-мм зубки, поликрист. АРС-3	20–7
02КС			20-7	20–7
04 A3			20–12; 30–20; 40–30	20–12
07 A3			30–20; 40–30; 60–40	30–20	9,0–12,5 10–14
А4 ДП			20–12; 30–20; 40–30; 60–40; 90–60	20–12; 30–20; 40–30	6–10 7,5–15 10–20 20–24
КАТ			50–30; 60–40	50–30	4–6 5–8 7–10

Твердосплавный инструмент, применяемый при бурении в породах мягких и средней твердости (I–VIII и частично IХ категорий), может иметь форму коронки или долота. Основными конструктивными элементами такого инструмента является корпус в виде короночного кольца или тела цилиндрической формы, имеющий рабочую часть, вооруженную твердосплавными резцами, и резьбовую часть для соединения с колонковой или бурильной трубой.

Рис.7. Конструкция расширителя для съемного керноприемника: 1- полый цилиндр; 2 - алмазосодержащие штабики; 3,4 - наружная и внутренняя резьба

Рис. 8 Алмазный калибратор КАНБ-76: 1 – бурильная труба; 2 – шайба; 3,4,5 – съемные цилиндрические кольца; 6 - металлический корпус; 7 – пазы

Таблица 24

Техническая характеристика коронок без заданного выпуска алмазов [4]

Тип коронки	Диаметр коронки, мм	Зернистость алмазов Z, шт/кар	Масса алмазов Q, кар
наружный	внутренний	объемных	подрезных
01АЗ			30-20; 50-30; 60-40	20-12; 30-20; 50-30	3,5-6,5
01 А4			4,5-7,5
01 A3 СВ			5,5-10
01 А4 СВ			—	—	10-16
01 АЗОСВ			—	—	12-18
01А40СВ			—	—	14-20
АКС			50-30;	50-30	3,5-5,5
			60-40		5,6-6,5
					8,5-10
01АЗГ			120-90	60-40	4,5-6,5
01А4Г					5,5-7,5
14АЗ			20-12	20-12	5,9-9,3
			30-20	30-20	9,6-14,4
			60-40	50-30	9,8-19,6

Для армирования буровых коронок используются резцы различных форм (обычно призматической или пластинчатой) и размеров. Резцы для вооружения породоразрушающего инструмента (ПРИ), применяемого при вращательном бурении, условно делятся на: крупные, мелкие и очень мелкие (самозатачивающиеся).

Твердосплавная коронка имеет стандартные элементы и параметры.

Число резцов зависит от типа и размера коронки, формы и параметров самих резцов. Это определяется обычно конструктивно с учетом области и условий применения инструмента. Расположение резцов в коронке играет важную роль. Все резцы по назначению делятся на основные и подрезные. Основные резцы разрушают породы по площади забоя, а подрезные калибруют ствол скважины и керн. Параметры и область применения твердосплавных коронок приведены в табл. 25.

Бурение скважин с разрушением породы по всей площади забоя (бескерновое бурение) осуществляется с помощью долот,имеющих следующее вооружение из твердых сплавов: режуще-истирающего действия, режуще–скалывающего действия, дробящего и дробяще-скалывающего действия.

К долотам режущего действия относятся алмазные долота.

К долотам режущего и режуще-скалывающего действия относятся однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные.

Малогабаритные лопастные долота предназначены для бурения геолого-разведочных скважин в мягких, рыхлых, несвязных и связных породах с прослойками средней твердости от I до IV категорий по буримости с прослойками пород средней твердости и удалением продуктов разрушения гидравлическим, пневматическим или механическим способом (шнековое).

Рабочая часть таких долот – одна, две или три лопасти со сплошными лезвиями (режущими элементами), имеющими определенную конфигурацию.

Таблица 25

Классификация твердосплавных коронок и рациональные области применения [4]

Тип коронок	Диаметр, мм	Количество резцов	Осевая нагрузка на 1 основной резец, даН	Окружная скорость, м/с	Область применения
наружный	внутренний
М–1				50–60	1,0–1,5	Мягкие, однородные породы (суглинки, глины, торф, пески, мел и др.) I–III категорий по буримости
М–2				0–80	Мягкие с прослойками более твердых пород (глина, мел, слабосцементированные песчаники, бокситы, алевролиты и др.) II–IV категорий по буримости
	ИЗ
М–5 (М–6)				30–60	1,0–1,5	Мягкие, средней твердости породы, однородные (глины, слабосцементированные песчаники, алевролиты, филлиты, ангидриты, гипсы и др.) II–IV, частично V–VI категорий по буримости. То же, с включениями щебеночно-галечных отложений, частично V–VI категорий по буримости
СМ–4				50–80	0,8–2,0	Породы средней твердости, малоабразивные, монолитные или слаботрещиноватые (доломиты, известняки, глинистые и песчанистые сланцы, гипсы, ангидриты, дуниты, пироксениты, перидотиты, серпентиниты и др.) V–VI категорий по буримости

Продолжение табл. 25

Тип коронки	Диаметр, мм	Количество резцов	Осевая нагрузка на 1 основной резец, даН	Окружная скорость, м/с	Область применения
наружный	внутренний
СМ–6				50–70	1,0–1,6	То же, и трещиноватые малоабразивные, VI–VII категорий по буримости
СТ–2				60–100	0,5–1,2	Малоабразивные, средней твердости, монолитные и с перемежающейся твердостью (известняки, доломиты, частично окремненные сланцы, мягкие породы с включениями более твердых и др.) IV–VII категорий по буримости
СА–1				50–80	0,6–1,5	Абразивные тонко– и мелкозернистые, монолитные, слаботрещиноватые. Перемежающиеся (песчаники, песчаные сланцы, алевролиты, измененные андезиты и базальты, габбро и др.) VI–VIII категорий по буримости

Окончание табл. 25

Тип коронки	Диаметр, мм	Количество резцов	Осевая нагрузка на 1 основной резец, даН	Окружная скорость, м/с	Область применения
наружный	внутренний
СА–2				50–80	0,6–1,5	Абразивные, монолитные и с перемежающей твердостью (песчаники, алевролиты, диориты, габбро, окварцованные известняки и др.), VI–VIII, частично IX категории по буримости
СА–3
СА–4				50–60	0,6–1,2	Абразивные, монолитные, трещиноватые VI–IX категорий по буримости
СА–5				50–60	0,6–1,6	То же, монолитные, перемежающиеся IV–IX категорий по буримости
СА–6				40–50	0,6–1,5	То же

Для увеличения износостойкости рабочей кромки нижние части лопастей армируют твердыми сплавами.

Лезвия могут быть непрерывными и прерывными (с рассечками), а лопасти – с угловым смещением или пересекающиеся. Лезвия лопастей имеют вид вогнутой кривой, радиус которой зависит от диаметра долота и абразивности пород. Чем в большей степени породы абразивны, тем меньше радиус кривой и вогнутость увеличивается. Обычно у серийных долот радиус кривой равен или немного превышает диаметр долота.

Долота режуще–скалывающего действия обычно имеют сложную прерывисто–ступенчатую форму лезвий или оснащаются крупными резцами. Долота такого типа предназначены для разрушения хрупких пород III–VI категорий по буримости. К ним относятся пикообразные (пикобуры) лопастные долота. Рабочие кромки пикобуров армируются резцами из твердых сплавов.

К долотам ударно–дробящего действия относятся шарошечные долота, которые оснащаются одной, двумя, но чаще всего тремя шарошками.

Шарошечные долота различаются между собой в зависимости от компоновки шарошек на корпусе долота. По назначению шарошечные долота классифицируются на долота основных видов: бескернового бурения, колонкового бурения, гидроударного бурения, специального назначения и для бурения с продувкой. В настоящее время для геологоразведочного бурения выпускаются шарошечные долота следующих типов: ОК, К, ТК, Т, СТ, С, СМ и М. Долота типов ОК и К характеризуются ударным действием вооружения на разрушаемый забой, долота типа МС и М –режуще-скалывающим, долота типов ТК и Т – ударно-скалывающим, долота типов СТ и С – скалывающим. Типы и область применения долот приведены в табл. 26.

Таблица 26

Дата добавления: 2015-07-08